微震监测和三维激光扫描联合监测技术在山达克南矿体扩帮边坡监测中的应用

袁 康，张志军

(中冶集团资源开发有限公司，北京 100028)

巴基斯坦山达克南矿体扩帮是在已形成348 m(974～626 m)高的最终边帮中下部(734 m水平)大范围扩帮，扩帮后734 m以下边坡角由原设计42°提高到47°～54°，整体边坡角42°～48°，最大采深度达到396 m。边坡地质条件复杂，岩体较为破碎，多条断层出露于边坡，受F1断层影响，采坑西北部地表及950 m安全平台已出现多条张开型裂缝，为确保深部扩帮的安全，开展边坡监测尤其重要。但是传统监测手段单一，大多采用点对点或点对面数据采集模式，监测结果不能很好地表现边坡的整体变化。本文结合微震监测技术可以从岩体变形开始，跟踪监测岩体内部从单元岩块的断裂到整个岩体失稳的渐进性破坏过程，预报具有准确性和超前性，以及三维激光扫描技术具有海量数据等特点，采用微震监测和三维激光扫描的联合监测技术，对山达克南矿体边坡进行监测，实践证明该项技术能够很好地体现出边坡变化的整体趋势，对高陡边坡监测，尤其是对露天矿深部强化开采的高陡边坡监测有着重要的指导和实践意义[1-3]。

1 边坡监测系统布置

根据山达克南矿体露天边坡现状及地质构造，将微震监测系统主要布置于西边坡，将三维激光扫描仪布置在东边坡，两者结合对西边坡扩帮区域进行监测。

1.1 微震监测布置

微震监测系统为32通道采集系统，由4台数据采集仪携带20个传感器(共6个三分量、14个单分量)，分别布置在758 m、806 m、878 m、950 m四个水平，每台数据采集仪为一个监测单元，监测单元通过无线信号发射装置传输至边坡监测室，其系统构成及布置见图1、图2。

图1 微震监测系统构成图Fig.1 Structure diagram of microseismic monitoring system

图2 预期精度云图Fig.2 Nephogram of expected accuracy

1.2 三维激光扫描布置

三维激光扫描系统监测站点设置于东边坡806 m平台，如图2。台阶中央浇筑60 cm×60 cm×100 cm的混凝土平台用于固定扫描仪，现场加设无线信号发射端，通过无线设备将实时数据传输至边坡监测室。

2 监测数据采集

2.1 微震系统数据采集

微震系统监控区域为北向(2 650～3 674 m)、东向(1 753～3 000 m)、高程(-5～1 050 m)，经降噪处理调试后微震系统背景噪音为 e-5J(即最小可监测到震级为-3的微震事件)，传感器触发数目为4个，24 h不间断监测。

2.2 三维激光扫描数据采集

三维激光扫描显示区域为北向(2 350～3 850 m)、东向(1 753～3 200 m)、高程(400～1 200 m)，监测原点设定为2018年4月5日下午3点15分，扫描时间间隔为3 h一次。

3 监测数据统计和分析

本文以2018年9月份(8月28日至9月27日)为例，对微震系统和三维激光扫描仪监测数据进行统计和分析。

3.1 监测统数据统计

1)微震监测有效事件统计

微震监测系统不仅可以接收区域内微小的岩石破裂事件，同时还包括生产信号、调电干扰型号等，根据信号波形及特定的频率、振幅、能级等可将岩石破裂有效事件挑选出来。2018年9月份微震系统共接收事件16 437个，其中岩石破裂事件56个，爆破事件8个，其余事件均为生产事件及干扰事件。通过对岩体破裂事件进行定位处理，其定位信息如图3所示。

2)三维激光扫描位移云图

工程领域的三维模型设计软件有很多种，各有特点，在实践中都得到了很好的应用。其中，Smart 3D是Intergraph公司出品的工程系列软件之一，是目前国内外主推的一款工程模型软件，其内容丰富、功能强大，基于服务器可实现各专业数据模型的实时在线修改、存储和共享。通过定制三维模型，可以精确建立模型的外形尺寸，完全展现装置的真实样貌。同时，该软件支持与Excel和AUTO CAD等文件的数据交互，可以基于模型生成需要的图纸、表单。

图3 微震监测有效事件定位图Fig.3 Location diagram of microseismic monitoring effective events

三维激光扫描位移云图如图4、图5所示，点云图两侧及上部红色区域为激光扫描角度及距离问题产生的噪点；734m台阶及下部台阶大片红色区域为扩帮区；734 m台阶上部边坡眉线及坡底红色区域主要由各台阶眉线滚石及坡底松散堆积物造成。

3.2 监测统数据分析

1)震级与能量分析

描述震源能量释放强度特征的主要参数有震动能量、地震矩、震级及应力降等。有效微震事件震级分级见表1，有效微震事件能量分级见表2。

图4 8月28日位移云图Fig.4 Displacement nephogram of 28thAugust

图5 9月27日位移云图Fig.5 Displacement nephogram of 27th September

震级分级事件数量/个所占比例/%M≤-11425-1

表2 有效事件能量分级统计表

从表1、表2可以看出，有效微震事件震级主要分布在-1～0.5区间，监测数据表明-0.50的事件。震动能量1E2

2)震级-频度分析

根据震级-频度关系式，也称古登堡公式或G-R关系式：

LgN(≥M)=a-bM

式中：M为地震震级；N(≥M)为震级大于等于M的地震次数；a、b为常数，其统计学意义为：a表征地震活动水平，b表征大小地震数目的比例关系。b值越小，表征大破裂的比例就越大。强震一般发生在低b值区或b值由高向低的转折处。通过分析本期监测数据，得出本月a值为0.11，b值为0.78(上月a值为0.43，b值为0.72)，详见图6。

上截断震级分布公式：最大震级：-0.20(2018/08/31 06∶14∶54) 次大震级：-0.45(2018/09/04 04∶53∶22) 第三大震级：-0.45(2018/09/12 08∶30∶49)开始事件时间：2018/08/28 06∶39∶09 结束事件时间：2018/09/26 13∶57∶25 事件总数：56图6 微震事件数-震级分布图Fig.6 Distribution graph of microquake events and earthquake magnitude

通过震级-频度关系式可以看出，本月表征地震活动水平的a值较上月减小，说明本月拾取的有效微震事件数减少，即岩石破裂微震活动事件的活跃性较上月减弱；表征大小地震数目的比例关系的b值比上月大，说明震级较高的微震事件在所有有效事件中所占比例较上月减小。

3)边坡位移分析

在边坡变形监测中，边坡位移量和位移曲线形态是滑坡预测的重要判断标准。因此，位移曲线为判断滑坡进入临滑阶段最直接、有效的依据[4]。本月位移监测曲线见图7，重点区域平均位移见表3。

表3 各监测区域平均位移量

图7 三维激光扫描边坡位移监测曲线Fig.7 3D laser scanning slope displacement monitoring curves

从本月位移曲线可以看出，边坡各区域位移整体平稳，形变量均小于5 mm，9月13日至9月14日风沙尘天气，位移数据有较大突变，将其剔除。各区域相对于2018年4月5日底图平均累计位移最大8.9 mm，边坡整体上处于相对稳定状态。

4)边坡开挖后位移变化分析

从微震监测有效事件定位图3看出，本月岩石破裂事件主要发生在采坑西北部扩帮作业区域，8月28日位移云图图4显示，扩帮作业区上方出现一浅红色区域，9月27日位移云图图5中区域7有进一步加深的迹象，相对于2018年4月5日底图最大位移达10 mm，这可能是边坡开挖破坏了原有的平衡，促使应力重新分布，产生新的变形以适应开挖后的边坡应力环境，也可能是边坡失稳的前兆[5]，后期监测中应密切关注该区域的微震事件和位移变化。

5)爆破振动作用下边坡位移变化分析

边坡在爆破振动影响下，岩体会产生一定程度损伤。因此，分析边坡各区域在爆破振动作用下的位移规律，对了解露天边坡整体稳定性情况具有指导意义。本月边坡监测系统共接收到8次爆破事件，爆破时间、药量、位置及震级见表4。

根据三维激光扫描系统监测的位移数据，各次爆破前后重点监测区域位移变化见表5。

表4 爆破事件统计表

表5 爆破前后位移变化表

注：9月13日由于风沙天气的影响爆破位移变化未统计。

从表4、表5可以看出，8月31日、9月4日和9月20日爆破震级较大，各区域位移变化也相应较大，从整体爆破前后位移变化看，未出现某一区域位移连续下降或上升，微震监测系统数据也显示微震事件未在爆破之后持续出现。

4 结论

1)与传统的监测手段相比，微震监测和三维激光扫描联合监测技术能监测到岩体从变形到单元岩块的断裂到整个岩体失稳的渐进性破坏过程，预报具有准确性和超前性，并可实现全天24 h实时监测。

2)微震事件的大量聚集是岩体破碎、坡体松弛，甚至是局部岩块失稳滑移的前兆，因此对于微震事件密集区域附近的施工，应引起一定程度的重视。爆破振动对边坡局部岩体的稳定性影响不可忽略，尤其是大药量爆破，不仅会削弱坡脚支撑力，而且会破碎边坡岩体，造成坡体松弛。因此，施工开挖应少药量多爆次，尽量减小爆破振动对边坡的扰动。

3)边坡开挖破坏了原有的平衡，促使应力重新分布，产生新的变形以适应开挖后的边坡应力环境，也有可能使边坡岩体结构进一步破坏而失稳。因此应加强开挖后的微震和位移监测，以期判明边坡开挖后的稳定性情况。